KR102089178B1 - 은-산화아연 나노 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 은-산화아연 나노 복합체를 포함하는 항균제 또는 이를 함유하는 소독제에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 휘발 혹은 분해를 일으키지 않아 열적 안정성이 좋고, 인체 독성이 없으며, 가격이 저렴하고 그람양성균, 음성균에 걸쳐 높은 항균력을 갖는 등 다양한 장점을 가지는 산화아연을 은 나노입자와 결합한 형태로 제조하여 은-산화아연 나노 복합체 얻을 수 있다. 이렇게 제조된 은-산화아연 나노 복합체는 UV 조사 하에서 우수한 미생물 살균 효과를 내는 항균제 또는 소독제로서 이용할 수 있다.

Description

은-산화아연 나노 복합체를 포함하는 항균제의 제조방법 {Antimicrobial agent containing Ag-zinc oxide nanocomposites as active component}

본 발명은 은-산화아연(Ag-ZnO) 나노 복합체를 포함하는 항균제에 관한 것이다. 보다 자세하게는 본 발명은 산화아연(ZnO) 나노 플레이트와 은(Ag)이 결합된 나노 복합체를 포함하는 항균제 또는 이를 함유하는 소독제에 관한 것이다.

항균제는 크게 유기계 항균제와 무기계 항균제로 나눌 수 있다. 인간이 대부분의 미생물을 효과적으로 없앨 수 있는 방법을 가지게 된 것은 유기화학, 고분자화학의 발달로 인해 시작되었다. 그래서 무기계 항균제보다는 유기계 항균제에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 현재까지 우리 주변에서 유기계 항균제가 별다른 의심 없이 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 웰빙 열풍 등으로 인간의 건강이나 환경에 대한 관심이 점차 높아짐에 따라 수십 년 이상을 사용해온 유기계 항균제가 인체에도 유해하다는 사실이 최근 속속 밝혀지고 있어, 그 사용에 제약이 가해지고 있다. 예를 들어 대표적인 유기계 항균제인 Triclosan은 항균비누, 바디 워시, 치약, 화장품 등에 사용되고 있으며, 미 식약청 (FDA) 조사에 따르면 미국에서 판매 중인 항바이러스 액상비누와 바디 워시 제품의 75%가 Triclosan을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 하지만 미 식약청 (FDA)에서는 손세정제나 바디 워시 같은 개인용 세정제에 사용된 Triclosan이 항균효과를 가진다는 명확한 증거가 없다고 보고한 바 있으며, 많은 연구 결과에서 Triclosan이 생식과 성장에 필수적인 호르몬을 교란시킬 위험이 있으며 박테리아의 내성을 키울 수 있다고 주장하고 있다. 최근에는 Triclosan이 근육의 수축작용을 방해, 간섬유화와 암 유발, 특정 세균의 증식을 돕는다는 실험 결과 또한 속속 나오고 있다. 이처럼 유기계 항균제의 인체에 대한 안정성이 문제되면서 유기계 항균제의 단점을 보완할 수 있는 무기계 항균제가 주목을 받고 있다.

무기계 항균제로서 ZnO는 휘발 혹은 분해를 일으키지 않는 등 열적 안정성이 좋고, 약물 전달체, 화장품으로써 사용되며 인체 독성이 없다고 알려져 있다. 또한 가격이 저렴하고 그람양성 균, 음성 균에 걸쳐 높은 항균력을 갖는 등 다양한 장점으로 인해 항균제로써 활발히 연구되고 있다. 항균제로써 ZnO를 보다 잘 이용하기 위해서는 항균 메커니즘에 대한 이해가 필요하지만, ZnO의 강력한 항균력이 어떤 작용에 의해 생성되는지에 관해 확실하게 설명할 수 있는 주장은 아직까지 나오지 않고 있다.

지금까지 가장 많이 언급된 ZnO의 메커니즘을 살펴보면 크게 세 가지로 나눌 수 있다. ZnO 나노입자의 항균력은 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 혹은 ROS가 야기한 손상에 의한 것이라고 주로 설명된다. ZnO 나노입자의 표면에 존재하는 산소원자 결함(oxygen vacancy)에 전자들이 갇히게 되고 이 위치에서 산화, 환원 반응이 활발하게 일어나게 되면서 ROS가 발생한다. 발생한 ROS에 의해 산화스트레스가 증가하게 되어 균의 사멸이 유도된다.

용해성이 있는 ZnO 나노입자의 항균력은 종종 Zn 이온의 방출에 의한 것이라고 설명된다. Zn 이온은 다양한 균주에 대해 항균력을 가지므로, 수용액 상에서 ZnO 나노입자로부터 용해되어 나온 Zn 이온이 ZnO 나노입자의 항균 메커니즘의 주된 원인이 된다.

마지막으로 ZnO 나노입자의 항균 메커니즘은 ZnO 나노입자와 균의 정전기적 인력에 의한 것으로 설명된다. (+) 전하를 띄는 ZnO 나노입자는 정전기적으로 (-) 전하를 띄는 균의 세포벽에 끌어당겨지고, 세포벽에 흡착될 수 있다. 균의 세포벽(cell wall)에 흡착된 ZnO 나노입자는 막유동성과 막을 가로질러 일어나는 막수송운반에 영향을 미쳐 균의 사멸을 일으킨다. 하지만 이것들은 아직까지 추정에 불과하며, 명확한 메커니즘 규명을 위한 노력이 촉구되고 있다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 산화아연 나노입자의 항균 메커니즘을 확인하기 위하여 연구하던 중, 산화아연(ZnO) 나노입자가 은 또는 구리 등과의 복합체로서 제조될 때 항균성이 증대됨을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-1675514호 (발명의 명칭 : 산화아연 나노입자 집합체를 유효성분으로 포함하는 항균제, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 등록일 : 2016년11월07일) 대한민국 등록특허 제10-1814001호 (발명의 명칭 : 코어-쉘 타입의 판상형 나노입자 및 이의 제조방법, 출원인 : 금오공과대학교 산학협력단, 등록일 : 2017년12월26일) 대한민국 공개특허 제10-2008-0107809호 (발명의 명칭 : 산화아연의 광촉매 활성을 증가시키는 방법 및 광촉매활성이 증가된 산화아연을 포함하는 조성물, 출원인 : 최진호, 공개일 : 2008년12월11일)

김다정, 판상형 ZnO의 대용량 합성법 및 은나노입자가 결합된 판상형 ZnO 나노입자의 항균성에 관한 연구, 금오공과대학교 석사학위논문, 2015.

본 발명의 목적은 은-산화아연(Ag-ZnO) 나노 복합체를 포함하는 항균제를 제공하는 데에 있다. 보다 자세하게는 본 발명의 목적은 산화아연(ZnO) 나노 플레이트와 은(Ag)이 결합된 나노 복합체를 포함하는 항균제 또는 이를 함유하는 소독제를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 평균직경 50 nm ~ 70 nm 및 두께 10 nm ~ 20 nm의 육각판상의 산화아연 나노 플레이트; 및, 평균직경 5 nm ~ 15 nm의 은 나노입자;를 포함하는 은-산화아연 나노 복합체를 포함하는 항균제에 관한 것이다.

상기 나노 복합체에는 평균직경 5 nm ~ 20 nm의 구리입자가 결합된 것일 수 있다.

상기 나노 복합체 1,000 ppm 기준, 은 10 내지 150 ppm 및 아연 800 내지 950 ppm이 포함될 수 있고, 구리 10 내지 150 ppm이 더 포함될 수도 있다.

상기 나노 복합체는 그람음성균 또는 그람양성균에 대하여 항균 효과를 가질 수 있다.

상기 그람음성균은 클렙시엘라 뉴모니애(Klebsiella pneumoniae)이고, 상기 그람양성균은 스태피로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)일 수 있다.

상기 항균제에는 바람직하게는 나노 복합체가 0.01 ~ 0.2 mM의 농도로 포함될 수 있다.

상기 항균제는 자외선 조사하에서 항균 활성이 증가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 상기 항균제를 포함하는 소독제를 제공한다.

또 다른 양태에서, 본 발명의 항균제는 다음의 방법으로 제조된 것일 수 있다.

(제1단계) 무수 에탄올에 초산 아연(Zinc acetate dehydrate)을 녹인 후 환류하여 전구체를 얻고, 상기 전구체를 초음파 처리를 하면서 수산화리튬(LiOH)의 에탄올 용액으로 환원시켜 산화 아연(ZnO seed) 씨드 용액을 제조하고,

산화아연 나노 플레이트의 성장용액(Growth solution)으로서 초산 아연(Zinc acetate dehydrate), 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 구연산나트륨(sodium citrate)의 수용액을 준비하는 단계;

(제2단계) 상기 씨드 용액과 성장용액을 혼합하고 수열합성하여 산화아연 나노 플레이트를 얻는 단계; 및,

(제3단계) 산화아연 나노 플레이트와 수소화붕소나트륨(Sodium borohydride, NaBH₄) 및 질산은(AgNO₃) 용액을 반응시켜 은-산화아연 복합체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 제3단계에서 질산은 용액과 동일 부피 및 농도로 황산구리 용액이 첨가될 수 있다.

이하 본 발명을 보다 더 상세하게 설명한다.

본 발명의 나노 복합체 1,000 ppm 기준, 은 10 내지 150 ppm 및 아연 800 내지 950 ppm이 포함될 수 있는데, 구리가 10 내지 150 ppm이 더 포함될 수 있다. 이 때, 은이 10 ppm 미만, 아연 800ppm 미만일 경우 항균 활성이 낮아질 수 있다.

항균 활성을 증가시키기 위해 나노 복합체에 포함되는 구리는 추가로 포함되는 양이 적어도 10 ppm 이상이어야 항균 활성이 더 증가되며, 150 ppm을 초과하게 되어도 항균 활성이 더 증가하지는 않아 최대 150ppm인 것이 적절하다.

본 발명의 은-산화아연 나노 복합체는 육각판상 형태의 산화아연 나노 플레이트에 은 또는 구리가 결합된 구조를 구비함으로써, 광촉매활성을 나타낼 수 있는 면이 넓고 charge carrier의 분리가 잘 일어남으로 인해 UV(Ultraviolet Ray) 광조사시 활성산소종(ROS)이 다량 발생하여 우수한 항균성을 나타낼 수 있다.

본 발명의 항균제가 작용하는 원리로서, 균 내부에서는 세포질막에 존재하는 이온수송을 담당하는 단백질에 의해 항상 필수미량원소인 금속이온 농도가 일정하게 유지되고 있지만, 균 주변 환경에서 Zn 이온의 농도가 비정상적으로 증가하게 되면서 Zn 이온이 다른 금속이온들의 이온수송을 방해하면서 경쟁적으로 세포질 안으로 들어가 항균특성이 발생하며 결합한 은 또는 구리의 독성에 의해 암실조건에서 항균특성이 증가하게 된다. 이러한 활성은 UV 조사시 charge carrier의 분리로 인해 더욱 활성화된다.

본 발명에 따른 나노복합제가 적용된 항균제는 적용되는 균에 따라 그 효과가 달라지므로 상이한 농도로 도입할 수 있지만 바람직하게는 0.01 ~ 0.2 mM의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 나노 복합체가 0.01 mM 미만으로 포함될 경우에는 항균 대상 균주의 사멸이 잘 되지 않을 수 있다. 0.2 mM을 초과할 경우, 항균 대상 균주의 사멸이 잘 되기는 하지만 비용 면에서 바람직하지 않기에 0.2 mM 이하의 나노복합제가 적용된 항균제를 사용하는 것이 더 좋다.

본 발명에 따른 항균제에 있어서, 상기 항균제는 그람음성균 또는 그람양성균에 대하여 항균 효과를 가질 수 있고, 상기 그람음성균은 클렙시엘라 뉴모니애(Klebsiella pneumoniae)이고, 상기 그람양성균은 스태피로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)일 수 있으나 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 은-산화아연 복합체의 제조방법은, 더 자세하게는,

(제1단계) 50~200 ㎖ 무수 에탄올에 0.001~0.1 M 초산 아연(Zinc acetate dehydrate)을 녹인 후 2~4시간 동안 환류하여 전구체를 얻고, 상기 전구체를 100~150W 및 20~50kHz의 조건으로 초음파 처리를 하면서 0.02~0.3 M 수산화리튬(LiOH)의 에탄올 용액 40~80 ㎖으로 환원시켜 산화 아연(ZnO seed) 씨드 용액을 제조하고,

산화아연 나노 플레이트의 성장용액(Growth solution)으로서 0.01~1 M 초산 아연(Zinc acetate dehydrate), 0.01~0.1 M의 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 0.1~1mM의 구연산나트륨(sodium citrate)의 수용액을 50~200 ㎖ 준비하는 단계;

(제2단계) 상기 씨드 용액과 성장용액을 1: 150~300의 부피비로 혼합하고 90~100℃에서 0.5~2시간 동안 100~500rpm의 교반하에 수열합성하여 산화아연 나노 플레이트를 얻는 단계; 및,

(제3단계) 1~10 mM 산화아연 나노 플레이트와 0.5~5 mM 수소화붕소나트륨(Sodium borohydride, NaBH₄)의 혼합 용액 20~40 ㎖ 및 1~10 mM 질산은(AgNO₃) 용액 5~20 ㎖을 반응시켜 은-산화아연 복합체를 제조하는 단계;

를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제3단계에서 질산은 용액과 동일 부피 및 농도로 황산구리 용액이 더 첨가될 수도 있다.

본 발명은 은-산화아연 나노 복합체를 포함하는 항균제 또는 이를 함유하는 소독제에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 휘발 혹은 분해를 일으키지 않아 열적 안정성이 좋고, 인체 독성이 없으며, 가격이 저렴하고 그람양성균, 음성균에 걸쳐 높은 항균력을 갖는 등 다양한 장점을 가지는 산화아연을 은 나노입자와 결합한 형태로 제조하여 은-산화아연 나노 복합체 얻을 수 있다. 이렇게 제조된 은-산화아연 나노 복합체는 UV 조사 하에서 우수한 미생물 살균 효과를 내는 항균제 또는 소독제로서 이용할 수 있다.

도 1(a)는 실시예 1의 ZnO 나노 플레이트의 (a) ZnO NPs에 대한 XRD 패턴, 도 1(b)는 실시예 2의 Ag-ZnO 나노 복합체의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 2는 실시예 1 및 2 조성물(ZnO 나노 플레이트 및 Ag-ZnO 나노 복합체)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 2의 Ag-ZnO 나노 복합체를 HR-TEM EDS(shows TEM and high-resolution TEM energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 관찰한 이미지이다.
도 4는 실시예 1의 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP) 및 실시예 2의 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)의 광촉매 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)에 은이 결합하기 전과 후의 energy diagram이다.
도 6은 빛이 차단된 조건 하에서의 실시예 1의 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP) 및 실시예 2의 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)의 농도별 항균 효과 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 UV 조사 하에서의 실시예 1의 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP) 및 실시예 2의 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)의 항균 효과 측정결과를 나타내는 그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.

<실시예 1. ZnO 나노 플레이트의 준비>

ZnO nanoplate(NP)를 합성하기 위해, 먼저 3 nm의 ZnO seed를 L.Spanhel 그룹에 의해 보고된 방법대로 합성하였다. 좀 더 자세히는 응축기를 부착한 250㎖ 둥근 바닥 플라스크에 100㎖ 무수 에탄올을 넣고 0.01M의 Zinc acetate dehydrate(Zn(CH₃COO)₂·2H₂O)를 녹인 후 80℃에서 3시간 동안 100㎖의 용액이 40㎖가 될 때까지 환류시켰다. 반응 후 얻어진 40㎖의 전구체는 Icebath에서 초음파(120W, 35kHz) 처리를 하면서 0.1M LiOH 에탄올 용액 60㎖로 환원시켜 ZnO seed를 합성하였다.

ZnO 나노 플레이트를 합성하기 위한 성장용액(Growth solution)으로서 0.1 M의 Zn(CH₃COO)₂·2H₂O와 0.05 M의 sodium hydroxide 및 0.28 mM의 sodium citrate의 수용액(100 ㎖)을 준비하였다.

이 Growth solution을 200㎖ 용량의 Teflon autoclave 용기에 옮긴 후 앞서 L.Spanhel 방법으로 합성한 ZnO seed 1㎖를 첨가하고 자석교반기가 설치된 수열합성기를 이용하여 95℃에서 1시간 동안 300rpm의 교반하에 합성하였다.

반응 종료 후 생성된 흰색의 침전물을 아세톤과 에탄올을 이용하여 2~3회 Washing 하여 최종 합성된 ZnO 나노 플레이트를 얻었다. 상기 ZnO 나노 플레이트는 FE-SEM(JSM-6500F, JEOL, Japan), TEM(JEOL 2100, Japan), 입도분석기(90 Plus, Brookhaven, US), Powder X-ray diffraction(SWXD, Rigaku, Japan), UV-Vis Abs. spectroscopy(Optizen 3220 UV, Mecasys, Korea), Photoluminesecne(Uni-110215KH, UniThink, Korea) 등을 이용하여 분석하였고, 이 ZnO 나노 플레이트의 성상은 대한민국 등록특허 제10-1675514호(산화아연 나노입자 집합체를 유효성분으로 포함하는 항균제)의 실시예 1의 제1 나노입자 집합체와 입도분포, XRD 스펙트럼 등의 특성 및 투과전자현미경 사진 결과가 일치하는 것으로 확인되었다.

<실시예 2. Ag-ZnO 나노 복합체의 준비>

4 mM의 ZnO 나노 플레이트(실시예 1에서 제조)와 2 mM의 NaBH₄의 혼합 용액(30 ㎖) 및 1 mM AgNO₃의 용액(10 ㎖)을 반응하여 나노 플레이트 형태의 나노 복합체(Ag-ZnO)를 제조하였다.

<실시예 3. 나노 복합체의 분석>

실시예 1 및 2 조성물의 구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석을 수행하였으며, UV-Vis 흡수 스펙트럼을 확인하였고, 그 결과를 도 1과 도 2에 나타내었다.

도 1과 도 2를 참고하면, ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)와 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)에 대해 각기 다른 패턴이 확인되어 ZnO 나노 플레이트를 이용하여 Ag-ZnO 나노 복합체가 잘 만들어졌음을 확인할 수 있다.

또한 실시예 2의 조성물을 HR-TEM EDS(shows TEM and high-resolution TEM energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 관찰하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3(a)를 참고하면 실시예 2의 나노 복합체가 직경이 5 ~ 15 nm인 은나노입자가 평균 직경 60 nm와 두께가 10 nm인 육각형판 모양을 갖는 ZnO NP에 잘 고정되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 3(b~f)의 Zn Kα1, Ag Lα1와 O Kα1에 대한 HR-TEM EDS 매핑 결과는 산화되지 않은 은나노 입자가 ZnO 나노 플레이트의 표면에 잘 고정되어있는 것을 보여준다. AAS 분석(atomic absorption spectroscopy ; AAS' MegaA-700FG, Scinco, Korea)을 이용하여, Ag-ZnO 나노 복합체의 1,000 ppm 기준, 은 및 아연 농도가 각각 약 89 ppm과 860 ppm으로 확인되었다.

<실시예 4. UV 빛 조사 하에서 나노 복합체의 광촉매 특성 분석>

대한민국 등록특허 제10-1675514호에 따르면 빛이 차단된 조건 또는 UV를 쬐어준 조건에 따라 다양한 형태의 ZnO 나노입자의 광촉매 특성 또는 항균활성이 달라진다. 이에 본 발명에서도 Ag-ZnO 나노 복합체의 광촉매 특성을 확인하였다.

실시예 2의 Ag-ZnO 나노 복합체의 광촉매 특성을 실시예 1의 ZnO 나노 플레이트와 비교하기 위하여, 20 μM의 메틸렌블루(MB, methylene blue) 용액에 Ag-ZnO 나노 복합체와 ZnO 나노 플레이트를 각각 0.5 mM씩 넣고 UV 빛 조사 하에서 1시간까지 10분마다 흡광도를 측정하여 메틸렌블루의 분해된 정도를 측정하였고 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참고하면, Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)를 넣어준 경우 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)보다 급격하게 메틸렌블루의 농도가 감소하다가 30분이 되자 모두 다 분해되어 메틸렌블루의 농도가 0이 되는 것을 확인할 수 있다. ZnO 나노 플레이트는 40분이 지나 간신히 50%의 감소가 있었을 뿐임을 알 수 있다. 이를 통해 Ag-ZnO NP의 광촉매 분해 능력이 더욱 우수하다는 것이 입증된다.

<실시예 5. Schottky junction>

이종접합 (hetero-junctions) 장벽은 서로 다른 일함수를 가지는 반도체와 메탈이 접촉했을 때 접촉 영역에서 energy band의 bending이 발생하는 Ohmic 혹은 Schottky 접합의 생성으로 인해 발생한다.

n-type semiconductor인 ZnO의 페르미 준위는 5.02 eV로 Ag의 페르미 준위 4.26 ~ 4.74 eV보다 높기 때문에 확산에 의해 금속과 반도체의 페르미 준위가 정렬하면서 접촉영역에서 반도체의 energy band는 아래로 bending하는 Schottky junction이 나타난다. 또한 은 산화아연 나노 플레이트가 ZnO의 band-gap보다 높은 에너지를 가지는 UV-A 빛에 노출되었을 때 photoelectrons는 Ag nanoparticles로 이동하고 holes는 ZnO 나노 플레이트의 valence band로 이동하여 Ag와 ZnO 나노 플레이트의 Schottky junction에 의한 charge carrier 분리가 쉽게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 또한 Ag로부터 생성된 photoelectrons는 ZnO의 conduction band로 전달되지만 역류하는 경향이 있고, 이런 charge carrier의 분리가 본 발명의 은 산화아연 나노 플레이트의 광촉매 특성과 항균특성을 증가시키는 것을 예측할 수 있다(도 5 참조).

<실시예 6. 나노 복합체의 항균력 측정>

본 발명에 따른 나노 복합체의 항균력을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 2의 조성물을 이용하여 그람양성균인 Staphylococcus aureus와 그람음성균인 Klebsiella pneumoniae에 대해 항균 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6(a)를 참고하면, 실험 초기의 균주 개체수를 100%라 할 때, 0.1mM의 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)가 처리되었을 때 Staphylococcus aureus의 개체수가 86% 상태로 감소되었다. 0.1mM의 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)를 처리한 경우는 Staphylococcus aureus의 개체수가 74% 상태로 감소하였다.

또한, 도 6(b)를 참고하면 0.05 mM의 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)가 처리되었을 때 Klebsiella pneumoniae의 개체수가 84% 상태로 감소하고, 0.05 mM의 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)가 처리되었을 때 Klebsiella pneumoniae의 개체수가 72% 상태로 감소하였음을 확인할 수 있다.

이처럼 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)에 대한 세균 생존력이 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)와 비교하여 낮은 것을 통해, 은 나노입자에 의해 Staphylococcus aureus 및 Klebsiella pneumoniae의 사멸효능이 더욱 증강되었음을 알 수 있었다.

한편, 도 6(a)에서의 Staphylococcus aureus에 대한 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)와 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)의 처리 농도 '0.1mM', 및, 도 6(b)에서의 Klebsiella pneumoniae에 대한 ZnO 나노 플레이트와 Ag-ZnO의 처리 농도 '0.05mM'을 UV 조사 하에서의 항균력 측정을 진행하기 위한 적절한 ZnO 나노입자의 농도(암실에서 약 80 % 이상의 세균 생존력을 갖는 각 조성물 농도)로 설정하고, 해당 농도로 각 균주에 대하여 UV 조사하에서의 시간별 항균 실험을 수행하였으며, 이 결과는 도 7에 나타내었다.

도 7의 (a) 및 (b)에 따르면, UV 빛 조사 하에서 Staphylococcus aureus에 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)와 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP) 0.1mM을 처리하거나, Klebsiella pneumoniae에 이들 조성물을 0.05mM를 처리한 경우, UV 조사시간이 증가함에 따라 Staphylococcus aureus와 Klebsiella pneumoniae의 개체수가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

보다 상세하게는, 실험 초기의 균주 개체수를 100%라 할 때, ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)에 노출된 Staphylococcus aureus는, 3시간 째에 34%가 생존하지만, 동일한 조건에서 Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP)에 노출된 Staphylococcus aureus는 보다 더 빠르게 사멸하여 8 % 만 생존함을 알 수 있다.

Klebsiella pneumoniae는 2시간 동안 ZnO 나노 플레이트(ZnO NP)를 처리시 33 %가 생존하지만, Ag-ZnO 나노 복합체(Ag-ZnO NP) 처리시, 동일한 조건에서 10 %만 생존하는 것을 확인할 수 있다.

이를 통해 Ag-ZnO 나노 복합체가 더 빠른 시간에 미생물을 사멸할 수 있어, ZnO 나노 플레이트보다 항균력이 더욱 우수함을 확인할 수 있다.

<실시예 7. 구리가 포함된 나노 복합체의 제조>

4 mM의 ZnO 나노 플레이트(실시예 1에서 제조)와 2 mM의 NaBH₄의 혼합 용액(30 ㎖), 1 mM AgNO₃의 용액(10 ㎖) 및 1 mM Cu₂SO₄의 용액(10 ㎖)을 혼합하여 구리가 포함된 복합체 Ag-Cu-ZnO를 제조하였다.

이렇게 제조된 Ag-Cu-ZnO에 대해 실시예 5의 도 7과 같은 실험을 수행하여 Staphylococcus aureus에서는 2시간 째에 Klebsiella pneumoniae에서는 1시간 째에 각각의 균주가 12%와 15%로 감소함을 확인하였다. 이 복합체는 AAS 분석을 이용하여, 1,000 ppm 기준, 은 및 아연 농도가 각각 약 70 ppm과 800 ppm, 구리 농도가 약 80 ppm인 것으로 확인되었다.

한편, 구리가 포함된 나노 복합체의 제조 시, 구리 용액을 질산은 용액과 함께 첨가하는 대신, 질산은 용액의 대체제로서 첨가한 경우에는 Cu-ZnO 복합체가 제조되지만, 이렇게 제조된 조성물의 항균력은 ZnO 나노 플레이트와 매우 유사하였다.

Claims (11)

1. 평균직경 50 ~ 70 nm 및 두께 10 ~ 20 nm의 육각판상의 산화아연 나노 플레이트; 평균직경 5 ~ 15 nm의 은 나노입자; 및, 나노 복합체에 평균직경 5 nm ~ 20 nm의 구리입자;를 포함하는 은-산화아연-구리 나노 복합체를 포함하는 항균제로서,
   상기 나노 복합체 1,000 ppm 기준, 은 10 내지 150 ppm, 아연 800 내지 950 ppm 및 구리가 10 내지 150 ppm이 포함되고,
   상기 나노 복합체가 UV 조사하의 0.01 ~ 0.2 mM의 농도에서, 그람음성균인 클렙시엘라 뉴모니애(Klebsiella pneumoniae) 또는 그람양성균인 스태피로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)에 항균 효능이 있으며,
   상기 나노 복합체가 다음의 제1단계에서 제3단계를 순차적으로 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 항균제.
   (제1단계) 50~200 ㎖ 무수 에탄올에 0.001~0.1 M 초산 아연을 녹인 후 2~4시간 동안 환류하여 전구체를 얻고, 상기 전구체를 100~150W 및 20~50kHz의 조건으로 초음파 처리를 하면서 0.02~0.3 M 수산화리의 에탄올 용액 40~80 ㎖으로 환원시켜 산화 아연 씨드 용액을 제조하고,
   산화아연 나노 플레이트의 성장용액으로서 0.01~1 M 초산 아연, 0.01~0.1 M의 수산화나트 및 0.1~1mM의 구연산나트륨의 수용액을 50~200 ㎖ 준비하는 단계;
   (제2단계) 상기 씨드 용액과 성장용액을 1: 150~300의 부피비로 혼합하고 90~100℃에서 0.5~2시간 동안 100~500rpm의 교반하에 수열합성하여 산화아연 나노 플레이트를 얻는 단계; 및,
   (제3단계) 1~10 mM 산화아연 나노 플레이트와 0.5~5 mM 수소화붕소나트륨의 혼합 용액 20~40 ㎖, 1~10 mM 질산은 용액 5~20 ㎖ 및 1~10 mM 황산구리 용액 5~20 ㎖를 반응시켜 은-산화아연-구리 나노 복합체를 제조하는 단계.
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9. 제1항의 항균제를 포함하는 것을 특징으로 하는 소독제.
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